《5G專網在工業互聯網中的應用》摘譯

2019年7月，美國咨詢機構Heavy Reading攜手高通公司發布《5G專網在工業互聯網中的應用》白皮書，賽迪智庫信息化與軟件產業研究所對該白皮書進行了編譯。

白皮書系統描述了5G專網的特點，討論了5G專網的關鍵問題，提出了5G專網的部署模式，重點分析了5G專網的頻譜分配方式，以期為5G在方興未艾的工業互聯網建設與應用分享技術資訊和部署資源。

5G在工業互聯網中的應用

5G專網的推動因素

企業設計和部署專網的目的是優化或執行商業流程。總的來說，有三個因素推動企業部署專網：

① 確保覆蓋范圍：通常部署在射頻（RF）或公共網絡覆蓋范圍有限/不存在的地方（如偏遠地區）。

② 實現網絡控制：5G專網能夠實現公共網絡難以實現的網絡控制。 

③ 獲得配置文件：企業需要能夠支持要求嚴苛的應用程序的配置文件。

5G性能適用于多種工業應用 

具體來說，5G專用局域網絡可支持以下具有嚴苛性能要求的工業應用：自動導引運輸車（AGV）、智能眼鏡、超高清攝像機和機器視覺、配電網、混合物聯網、工業設備遙控。

5G專網部署模式

5G專網有兩種基本形式。Heavy reading預計市場將采用這兩種方案： 

① 不依賴獲許可的公共運營商或廣域網的獨立專網。可以選擇是否與公共網絡整合。 

② 與公共網絡一起使用的專網。可進行各種級別的整合。

專網對于關鍵工業設施運營技術（OT）尤其重要，因為停機、服務降級或安全漏洞等事故可能對企業經營和安全造成災難性后果。

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與公共網絡更緊密整合的5G專網模式。原則上，在公共網絡和專網切換時，這種安排更易于策略維護和用戶配置文件維護。

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總之，Heavy Reading預計，對于智能制造而言，由于延遲、控制和安全性要求，部署在本地的專網最為普遍；在物流和運輸等領域，廣域網覆蓋更為重要，他們對共享公共網絡中的專用服務有很大需求。 

工業互聯網中的5G創新

工業互聯網5G系統的部分主要功能，可為工業用戶提供5G專網。

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第一版5G標準（3GPP R-15 版本）雖然基礎功能已經具備，但第一代商用5G網絡只被部署到移動寬帶中， 并不支持工業通信網絡所需的所有高級功能。

為了應對上述問題，下一版5G標準，即R-16版正在緊鑼密鼓的開發過程中。其計劃于2020年3月進行功能固定，并于2020年6月進行ASN.1固定（即協議固定）。 

3GPP支持工業互聯網的舉措

主要包含第一層增強、5G NR技術，以及更高層的應用程序編程接口（API）等。這些API可使第三方應用程序（如由OT企業開發的應用）在5G專網上實現運行。

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采用5G多點協作技術，實現高可靠性

根據TS22.104描述，某些工業應用需要99.9999％的可靠性和亞毫秒無線延遲，而使用傳統無線技術很難滿足這些要求。

為此，相關人員提出了一種解決方案，即利用空間分集和多點協作（CoMP）增強5G無線連接的可靠性。 

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時間敏感網絡可滿足低時延性 

5G定義了用于與時間敏感網絡設備和系統交互工作的適配器。這些適配器可將時間敏感網絡的配置映射到5G服務質量框架中，從而通過報頭壓縮實現以太網幀的高效傳輸。

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5G新無線電技術實現精確定位

5G新無線電（NR）技術的許多特性都有助于實現精確定位，包括使用多輸入多輸出天線陣列和寬帶寬等。

根據網絡配置，5G網絡可將精確度從幾米降低到3GPP設定的20厘米的目標。

5G專網頻譜

工業互聯網的頻譜可選方案

有4個可選項的主要頻譜，這些頻譜都向希望部署5G專網的工業公司開放。

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用于5G專用的免授權頻譜（NR-U）

3GPP正在通過制定R-16版標準，努力規范5G新無線電在免授權頻譜中的運行（即NR-U），這有望使專網迅速擴展。免授權5G共有兩種主要方案： 

① 配置授權錨點的5G NR技術；

② 僅部署在免授權頻譜中的5G NR技術。

在免授權情況下，5G共有兩種主要的頻譜共享模式：異步共享頻譜，同步共享頻譜。

共享頻譜的協調使用 

根據定義，免授權頻譜是共享頻譜。功率限制（通常為低功率）和基于競爭的“先聽后說”機制可控制其他用戶干擾。

當頻譜的競爭用戶有限時，基于競爭的系統效果最佳；但當用戶很多時，終端用戶性能和頻譜效率都會受到影響。

其中一種擬議解決方案：以互利方式同步訪問網絡通話時間。與空間共享（多點協作）相結合，該方案還可增加容量并使服務質量可預測。

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企業專用頻譜

隨著更多國家進行評估、確定授權條款，并創建申請流程，該清單將不斷得到補充完善。越來越多的國家采取監管活動，也顯示出這一模式的應用正在逐步得到推廣。

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結 論

工業用戶的需求和工業應用的性能要求是開發5G系統的核心內容。

5G系統融合了無數創新，以支持部署在本地的專網，許多創新旨在滿足工業應用的要求。

擁有頻譜是開辟專網市場的關鍵之一。

然而，專用和免授權頻譜市場也需要運營商。

譯自：Private 5G Mobile Networks for Industrial IoT, July 2019 by Heavy Reading & Qualcomm